תורת היחסות הכללית מסבירה את הכבידה כעיקום של המרחב והזמן. מרחב-זמן הוא המארג המאוחד של מרחב ותזמון; מסה ואנרגיה מעקמים אותו, וזה קובע כיצד גופים וזוהר (אור) נעים. את התאוריה פרסם אלברט איינשטיין ב-1915 והיא החליפה את חוקי הכבידה של ניוטון במצבים חזקים.
הצורך בתיאוריה חדשה נבע מהתנגשות בין היחסות הפרטית של 1905 (שמהירות האור קבועה) לבין רעיון הכבידה המיידית של ניוטון. איינשטיין פיתח את הרעיון דרך עקרון השקילות: בנפילה חופשית תחושת הכבידה נעלמת. בעזרת גאומטריה רימנית ומתמטיקה מתקדמת ניסח משוואות שדה שמקשרות בין פיזור החומר לעיקום המרחב-זמן. תחזיות מוקדמות, כמו נקיפת פריהליון כוכב חמה והסטת אור בליקוי חמה, אוששו את התאוריה ונכבש הציבור המדעי.
גם בפיזיקה הקלאסית יש נקודות שמובילות לגישה גאומטרית, אך היחסות הכללית היא הכללה של היחסות הפרטית למקרים שבהם יש כבידה. עקרון השקילות קובע שמקומית אין הבדל בין תאוצה לכבידה. משמעות מעשית: נפילה חופשית היא התנועה ה"הישרה" הטבעית. כדי לתאר זאת מתמטית משתמשים במטריקה, "סרגל" למדידת מרחקים וזמנים, ובמושג הגאודזה, המסלול הישר ביותר במרחב-זמן המעוקם.
משוואות השדה מקשרות בין טנזור איינשטיין (מדד העיקום) לבין טנזור המאמץ-אנרגיה (התיאור של חומר, אנרגיה ולחצים). טנזור הוא סוג של מטריצה שמכילה מידע רב. המשוואות אינן ליניאריות ולכן פתרונן מורכב. בידיוק באמצעותן חושבים על מסלולי חלקיקים כנעים על גאודזות, כלומר מסלולים שאינם מעוקלים על ידי כוח חיצוני אלא על ידי צורת המרחב-זמן.
תאוריה זו חוזה גם את הימצאותם של גלי כבידה, הפרעות זעירות במרחב-זמן המתפשטות במהירות האור. גלי כבידה נוצרו, בין השאר, במיזוג של שני חורים שחורים. ב-2015 LIGO זיהה לראשונה גלי כבידה ישירות ממיזוג כזה. גלים אלה מחלחלים דרך המרחב וגורמים לשינויים מחזוריים במרחקים בין נקודות.
כאשר מסה דחוסה מאד, העיקום יכול להיות כה חזק שבתוך אזור מסוים אף אור אינו יכול לברוח. זהו חור שחור. סביב חורים שחורים נוצרים תופעות כמו דיסקות ספיחה, חומרים שמסתחררים ומשחררים אנרגיה, וסילונים מהירים. תצפיות תומכות בקיומם של חורים שחורים על-ידי מדידות תנועת כוכבים והקרינה ממערכת הספיחה.
משוואות איינשטיין משמשות גם לתיאור היקום כולו. פתרונות פרידמן-למטר-רוברטסון-ווקר מתארים יקום מתפשט. כדי להתאים תצפיות הוספו רכיבים כמו קבוע קוסמולוגי (Λ), חומר אפל (חומר שאינו פולט אור אך משפיע כבידתית) ואנרגיה אפלה (גורמת להאצת התפשטות היקום). מודל ה-ΛCDM הוא המודל הסטנדרטי, אך טבעם של החומר האפל והאנרגיה האפלה אינו ברור במלואו.
אחת הבעיות הגדולות היא חוסר ההתאמה בין היחסות הכללית למכניקת הקוונטים. דרושות תאוריות של כבידה קוונטית כדי להבין סינגולריות (אזור שבו תכונות העיקום "נופלות" לאינסוף), פנים חורים שחורים והיוצרות המוקדמת של היקום. מועמדות כוללות תורת המיתרים וכבידה קוונטית לולאתית, אך עדיין אין הוכחה ניסויית לאף אחת מהן.
היחסות הכללית עומדת במבחנים מדויקים רבים: מדידות של האטת הזמן בכבידה, הסטת אור, נקיפת מסלולים וגלי כבידה תואמות את התחזיות. יחד עם זאת, שאלות כמו טבע החומר האפל, אנרגיה אפלה וכבידה קוונטית נשארות פתוחות. המחקר פעיל מאוד, ומשלב תצפיות אסטרונומיות, ניסויים מדויקים וסימולציות נומריות.
תורת היחסות הכללית אומרת שכבידה היא עיקום של המרחב והזמן. מרחב-זמן הוא כמו בד גדול שמשלב מקום וזמן.
אלברט איינשטיין המציא את הרעיון ב-1915. הוא גילה שנפילה חופשית מרגישה כמו "אין כבידה". זה הוביל לחשוב על כבידה כעל עיקום.
כוכבים וכוכבי לכת גורמים לבד המרחב-זמן להתעקם. עצמים זזים על המסלולים הכי ישרים שיש בבד הזה. קרני אור גם כן מתעקמות.
כשהעיקום חזק מאד, נוצר חור שחור. חור שחור הוא אזור שאפילו אור לא יכול לברוח ממנו. סביבו חומר יכול להסתחרר ולחמם.
כאשר מסות גדולות נעות במהירות, הן יוצרות גל קטן במרחב-זמן. גל כזה נקרא גל כבידה. ב-2015 גילו מדענים גלים אלה שנוצרו כששני חורים שחורים התחברו.
משוואות של איינשטיין משמשות גם כדי להבין את היקום. התצפיות מראות שהיקום מתפשט. יש בו גם "חומר אפל" ו"אנרגיה אפלה" שאיננו מבינים במלואם.
הרעיונות של איינשטיין עוזרים לנו להבין טלסקופים, לוויינים ואירועים בחלל. יש עדיין שאלות פתוחות, כמו איך לחבר את הכבידה עם חוקי הקוונטים. המדענים עובדים על זה.
תגובות גולשים